バイオメカニクスから紐解く雌雄交尾器の共多様化機構

• Project/Area Number: 15J03484
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biodiversity/Systematics
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 松村 洋子 慶應義塾大学, 商学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2016: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 機能形態学 / 交尾器 / 挿入 / 昆虫 / ハムシ / バイオメカニクス / 共進化 / 共多様化 / 数理モデル

Outline of Annual Research Achievements

雌雄交尾器の共多様化が如何にして生じたかに答えるため，①雌雄交尾器の物理的相互作用がどう達成されるのか，②雌雄交尾器の形の違いがその相互作用に影響をもたらすか，という疑問にバイオメカニカルな立場から取り組んだ．①雌雄交尾器の種間変異の記載と定量化，②物理的相互作用の断片的視覚化と物性の理解から雌雄交尾器の機能や動きがもたらされるメカニズムを機械的に説明，③実験的に２の仮説の検証のステップで進めた．雌雄交尾器が物理的に相互作用する過程のうち，本年度は昆虫の極端に長い交尾器を介した射精プロセスを対象に，実体・光学・電子・レーザー顕微鏡，X線μCTを駆使し，以下のことを明らかにした．
１．極端に長い交尾器のサイズ（直径）が，交尾器の長さ・体サイズ・系統関係と関係なく種間で雌雄共に著しく変異する（雄交尾器：2μmから数10μm）．
２．上の計測値を基に①精液がオス交尾器の管を表面張力で満たすのに要する時間，②精液をオス交尾器の管から押し出すのに必要な力を計算した．その結果，どの種でも表面張力だけで2cm程度の長さのオス交尾器の管を容易に濡らせること，一方で精液の雌への受け渡しプロセスはオス交尾器の直径によってメカニズムが異なることが，理論的に示された．直径が2μmの種では，精液を押し出すには昆虫では不可能なほど大きな力が必要であるが，直径が数10μmの種では，精液はオス側の押し出す力でメスへ受け渡し可能である．
３．オス交尾器の直径が比較的大きな種ではオスの交尾器に発達した筋肉が認められポンプとして機能することが示唆されるのに対し，直径の小さな種では類似の構造は認められなかった．後者については，オス側とメス側を満たす液体の濃度勾配などから能動的に精液がオスからメスへ流れる可能性が考えられる．次年度，実験的にその可能性を確かめるため，実験を検討中である．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Kiel University(Germany)
• [Int'l Joint Research] National Museum of Kenya(Kenya)
• [Int'l Joint Research] Kiel University(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Donetsk Institute(ウクライナ)
• [Journal Article] Functional morphology and evolution of the hyper-elongatedintromittent organ in Cassida leaf beetles (Coleoptera: Chrysomelidae:Cassidinae). (2017)
  • Author(s): Matsumura, Y., Michels, J., Appel, E., Gorb, S.N.
  • Journal Title: Zoology Volume: 120 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1016/j.zool.2016.08.001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A new record of Zoraptera (Insecta) from Kenya, with remarks on their habitat. (2017)
  • Author(s): Matsumura, Y., Njoroge, L.
  • Journal Title: Journal of East African Natural History Volume: not known yet
• [Journal Article] 体より長い交尾器を進化させた昆虫たち (2017)
  • Author(s): 上村佳孝, 松村洋子
  • Journal Title: 昆虫と自然 Volume: 52 (1) Pages: 8-11
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Stiffness gradient of the beetle penis facilitates propulsion in the spiraled female spermathecal duct. (2016)
  • Author(s): Filippov, A., Matsumura, Y., Kovalev, A., Gorb, S.N.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 6 Issue: 1 Pages: 27608-27608
  • DOI: 10.1038/srep27608
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Male penile propulsion into spiraled spermathecal ducts of female chrysomelid beetles: a numerical simulation approach. (2015)
  • Author(s): Filippov A, Kovalev A, Matsumura Y, Gorb SN
  • Journal Title: Journal of Theoretical Biology Volume: 384 Pages: 140-146
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2015.08.002
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 知られざるジュズヒゲムシ目の多様性 －45年振りのアフリカ産未記載種－ (2016)
  • Author(s): 真下雄太、松村洋子、町田龍一郎
  • Organizer: 第 37 回菅平動物学セミナー
  • Place of Presentation: 筑波大学，長野
  • Year and Date: 2016-12-03
• [Presentation] Special behavior in beetles negates a developmental constraint against hyper-elongation of a penis. (2016)
  • Author(s): Matsumura Y.
  • Organizer: 2016 XXV International Congress of Entomology
  • Place of Presentation: the United States of America (Orlando)
  • Year and Date: 2016-09-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Let us become zorapterists: field surveys in different continents. (2016)
  • Author(s): Matsumura Y, Rafael J, Camara J. T., Beutel, R. G., Mashimo Y.
  • Organizer: 2016 annual meeting of the Entomological Collections Network
  • Place of Presentation: the United States of America (Orlando)
  • Year and Date: 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] How do leaf beetles generate propulsion of a hyper-elongated penis that is as long as their body length during copulation? (2016)
  • Author(s): Matsumura Y, Filippov, A. E., Kovalev, A. E., Michels, J., Goedel, T., Appel, E., Gorb, S. N.
  • Organizer: 109th Annual Meeting of the German Zoological Society
  • Place of Presentation: Germany (Kiel)
  • Year and Date: 2016-09-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] How do male beetles propel a hyper-elongated penis into a female duct? (2016)
  • Author(s): Matsumura Y, Michels, J., Filippov, A. E., Kovalev, A. E., Goedel, T., Appel, E., Gorb, S. N.
  • Organizer: SEB (Society of Experimental Biology) meeting Brighton 2016
  • Place of Presentation: United Kingdom (Brighton)
  • Year and Date: 2016-07-04
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 序論：マイクロCTの利用は昆虫学に何をもたらすのか (2016)
  • Author(s): 松村洋子
  • Organizer: 日本昆虫学会76回大会
  • Place of Presentation: 大坂府立大学（大阪府・堺市）
  • Year and Date: 2016-03-28
• [Presentation] 交尾器の形に魅せられた虫博士の歩み (2015)
  • Author(s): 松村洋子
  • Organizer: 日本昆虫学会75回大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県・福岡市）
  • Year and Date: 2015-09-20